Лекция 5
Потоки вещества и энергии в экосистемах
Пищевые цепи и пищевая сеть.
В функционирующей природной экосистеме не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами, ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб погибают, они в свою очередь перерабатываются редуцентами.
Пищевая цепь – последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или разлагает другой. Пищевые цепи – это также движение питательных веществ от продуцентов, консументов (травоядных, плотоядных и всеядных) к редуцентам и обратно к продуцентам.
Рис. 2
Все организмы, пользующиеся одним типом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню (от греческого слова trophos – «питающиеся»).
Организмы природных экосистем вовлечены в сложную сеть многих связанных между собой пищевых цепей. Такая сеть называется пищевой сетью.
Рис. 3
Движение энергии в экосистемах происходит посредством двух связанных типов пищевых сетей:
пастбищной и детритной.
Рис. 4
В пастбищной пищевой сети живые растения поедаются фитофагами, а сами фитофаги являются пищей для хищников и паразитов.
В детритной пищевой сети отходы жизнедеятельности и мертвые организмы разлагаются детритофагами и деструкторами до простых неорганических соединений, которые вновь используются растениями.
Пирамиды энергетических потоков.
С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в пределах пищевой цепи или сети совершается работа и в окружающую среду выделяется тепловая энергия, а количество энергии высокого качества, используемой организмами следующего трофического уровня, снижается.
Правило 10%: при переходе с одного трофического уровня на другой 90% энергии теряется, и
10% передается на следующий уровень.
Чем длиннее пищевая цепь, тем больше теряется полезной энергии. Поэтому длина пищевой цепи обычно не превышает 4 - 5 звеньев.
Пирамиды численностей и биомасс.
Мы можем собрать все образцы организмов в экосистеме и подсчитать численность всех видов, обнаруженных на каждом трофическом уровне. Такая информация необходима для создания пирамиды численностей для экосистем.
Рис. 5 Обобщенные пирамиды численностей в экосистемах.
Сухой вес всех органических веществ, содержащихся в организмах экосистемы, называется биомассой. Каждый трофический уровень пищевой цепи или сети содержит определенное количество биомассы. Ее можно вычислить, если собрать все живые организмы с различных произвольно выбранных участков. Собранные экземпляры необходимо рассортировать по трофическим уровням, высушить и взвесить. Полученные данные в дальнейшем используются для построения пирамиды биомасс для определенной экосистемы.
Рис. 6 Обобщенные пирамиды биомасс в экосистемах. Размер каждого слоя пропорционален сухой массе на квадратный метр всех организмов на данном трофическом уровне.
Чистая первичная продуктивность растений.
Скорость, с которой растения экосистемы производят полезную химическую энергию или биомассу, называется чистой первичной продуктивностью.
Чистая первичная продуктивность = скорость, с которой растения - скорость, с которой растения
производят химическую энер - расходуют химическую энер-
гию в процессе фотосинтеза гию в процессе дыхания
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ЭКОСИСТЕМАХ.
I. Круговорот углерода
Рис. 7 Упрощенная диаграмма части углеродного цикла, показывающая круговорот вещества (закрашенные стрелки) и однонаправленный поток энергии (незакрашенные стрелки) в процессах фотосинтеза и аэробного дыхания.
Углерод является основным «строительным материалом» молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот (таких как ДНК и РНК) и других важных для жизни органических соединений.
Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с 1950-х годов, из-за быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:
- Сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи
с чем уменьшается общее количество растительности, способной поглощать СО2.
- Сжигание углеродосодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при
этом углекислый газ попадает в атмосферу.
II. Круговорот азота.
Рис. 8 Упрощенная диаграмма круговорота азота.
1. бактерии
2. осадки
3. азотофиксирующие бактерии и сине-зеленые водоросли
Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:
- Сжигание древесины или ископаемого топлива (NO). Оксид азота затем соединяется в атмосфере
с кислородом и образует диоксид азота (NO2), который при взаимодействии с водяным паром
может образовывать азотную кислоту (HNO3).
- Производство азотных удобрений и их широкое применение.
- Увеличение количества нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах при попадании в
них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей азотных удобрений, а также
очищенных и неочищенных коммунально-бытовых канализационных стоков.
III. Круговорот фосфора.
Рис. 9 Упрощенная диаграмма круговорота фосфора.
1. разработка недр
2. разработка недр
3. сток и эрозия
4. выщелачивание
5. выщелачивание и эрозия
6. речной сток
7. разложение
8. отходы и разложение
9. птицы, питающиеся рыбой.
Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:
- Добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных удобрений и
- Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных
стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также
очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.
IV. Круговорот серы.
Рис. 10 Упрощенная диаграмма круговорота серы.
Около трети всех соединений серы и 99% диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов диоксида серы в атмосферу. Оставшаяся треть выделяется во время таких технологических процессов, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.
V. Круговорот воды.
Круговорот воды или гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:
1. Забор больших количеств пресной воды из рек, озер и водоносных горизонтов. В густозаселенных или интенсивно орошаемых районах водозабор привел к истощению запасов грунтовых вод или к вторжению соленой океанической воды в подземные водоносные горизонты.
2. Сведение растительного покрова суши в интересах развития сельского хозяйства, при добыче полезных ископаемых, строительстве дорог, автостоянок, жилья и других видах деятельности. Это приводит к уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что сокращает пополнение запасов грунтовых вод, увеличивает риск наводнений и повышает интенсивность поверхностного стока, тем самым, усиливая эрозию почв.
